第五节 磨削的表面质量

第五节磨削的表面质量
一、磨削加工的特点
磨削精度高，通常作为终加工工序。

但磨削过程比切削复杂。

磨削加工采用的工具是砂轮。

磨削时，虽然单位加工面积上磨粒很多，本应表面粗糙度很小，但在实际加工中，由于磨粒在砂轮上分布不均匀，磨粒切削刃钝圆半径较大，并且大多数磨粒是负前角，很不锋利，加工表面是在大量磨粒的滑擦、耕犁和切削的综合作用下形成的，磨粒将加工表面刻划出无数细微的沟槽，并伴随着塑性变形，形成粗糙表面。

同时，磨削速度高，通常v砂=40~50m/s，目前甚至高达v砂=80~200m/s，因而磨削温度很高，磨削时产生的高温会加剧加工表面的塑性变形，从而更加增大了加工表面的粗糙度值；有时磨削点附近的瞬时温度可高达800~1000℃，这样的高温会使加工表面金相组织发生变化，引起烧伤和裂纹。

另外，磨削的径向切削力大，会引起机床发生振动和弹性变形。

二、影响磨削加工表面粗糙度的因素
影响磨削加工表面粗糙度的因素有很多，主要的有：
⑴砂轮的影响砂轮的粒度越细，单位面积上的磨粒数越多，在磨削表面的刻痕越细，表面粗糙度越小；但若粒度太细，加工时砂轮易被堵塞反而会使表面粗糙度增大，还容易产生波纹和引起烧伤。

砂轮的硬度应大小合适，其半钝化期愈长愈好；砂轮的硬度太高，磨削时磨粒不易脱落，使加工表面受到的摩擦、挤压作用加剧，从而增加了塑性变形，使得表面粗糙度增大，还易引起烧伤；但砂轮太软，磨粒太易脱落，会使磨削作用减弱，导致表面粗糙度增加，所以要选择合适的砂轮硬度。

砂轮的修整质量越高，砂轮表面的切削微刃数越多、各切削微刃的等高性越好，磨削表面的粗糙度越小。

⑵磨削用量的影响增大砂轮速度，单位时间内通过加工表面的磨粒数增多，每颗磨粒磨去的金属厚度减少，工件表面的残留面积减少；同时提高砂轮速度还能减少工件材料的塑性变形，这些都可使加工表面的表面粗糙度值降低。

降低工件速度，单位时间内通过加工表面的磨粒数增多，表面粗糙度值减小；但工件速度太低，工件与砂轮的接触时间长，传到工件上的热量增多，反面会增大粗糙度，还可能增加表面烧伤。

增大磨削深度和纵向进给量，工件的塑性变形增大，会导致表面粗糙度值增大。

径向进给量增加，磨削过程中磨削力和磨削温度都会增加，磨削表面塑性变形程度增大，从而会增大表面粗糙度值。

为在保证加工质量的前提下提高磨削效率，可将要求较高的表面的粗磨和精磨分开进行，粗磨时采用较大的径向进给量，精磨时采用较小的径向进给量，最后进行无进给磨削，以获得表面粗糙度值很小的表面。

⑶工件材料工件材料的硬度、塑性、导热性等对表面粗糙度的影响较大。

塑性大的软材料容易堵塞砂轮，导热性差的耐热合金容易使磨料早期崩落，都会导致磨削表面粗糙度
增大。

另外，由于磨削温度高，合理使用切削液既可以降低磨削区的温度，减少烧伤，还可以冲去脱落的磨粒和切屑，避免划伤工件，从而降低表面粗糙度值。

三、磨削表面层的残余应力——磨削裂纹问题
磨削加工比切削加工的表面残余应力更为复杂。

一方面，磨粒切削刃为负前角，法向切削力一般为切向切削力的2~3倍，磨粒对加工表面的作用引起冷塑性变形，产生压应力；另一方面，磨削温度高，磨削热量很大，容易引起热塑性变形，表面出现拉应力。

当残余拉应力超过工件材料的强度极限时，工件表面就会出现磨削裂纹。

磨削裂纹有的在外表层，有的在内层下；裂纹方向常与磨削方向垂直，或呈网状；裂纹常与烧伤同现。

磨削用量是影响磨削裂纹的首要因素，磨削深度和纵向走刀量大，则塑性变形大，切削温度高，拉应力过大，可能产生裂纹。

此外，工件材料含碳量高者易裂纹。

磨削裂纹还与淬火方式、淬火速度及操作方法等热处理工序有关。

为了消除和减少磨削裂纹，必须合理选择工件材料、合理选择砂轮；正确制订热处理工艺；逐渐减小切除量；积极改善散热条件，加强冷却效果，设法降低切削热。

四、磨削表面层金相组织变化——磨削烧伤问题
1．磨削表面层金相组织变化与磨削烧伤
机械加工过程中产生的切削热会使得工件的加工表面产生剧烈的温升，当温度超过工件材料金相组织变化的临界温度时，将发生金相组织转变。

在磨削加工中，由于多数磨粒为负前角切削，磨削温度很高，产生的热量远远高于切削时的热量，而且磨削热有60~80%传给工件，所以极容易出现金相组织的转变，使得表面层金属的硬度和强度下降，产生残余应力甚至引起显微裂纹，这种现象称为磨削烧伤。

产生磨削烧伤时，加工表面常会出现黄、褐、紫、青等烧伤色，这是磨削表面在瞬时高温下的氧化下膜颜色。

不同的烧伤色，表明工件表面受到的烧伤程度不同。

磨削淬火钢时，工件表面层由于受到瞬时高温的作用，将可能产生以下三种金相组织变化：1）如果磨削表面层温度未超过相变温度，但超过了马氏体的转变温度，这时马氏体将转变成为硬度较低的回火屈氏体或索氏体，这叫回火烧伤。

2）如果磨削表面层温度超过相变温度，则马氏体转变为奥氏体，这时若无切削液，则磨削表面硬度急剧下降，表层被退火，这种现象称为退火烧伤。

干磨时很容易产生这种现象。

3）如果磨削表面层温度超过相变温度，但有充分的切削液对其进行冷却，则磨削表面层将急冷形成二次淬火马氏体，硬度比回火马氏体高，不过该表面层很薄，只有几微米厚，其下为硬度较低的回火索氏体和屈氏体，使表面层总的硬度仍然降低，称为淬火烧伤。

2．磨削烧伤的改善措施
影响磨削烧伤的因素主要是磨削用量、砂轮、工件材料和冷却条件。

由于磨削热是造成磨削烧伤的根本原因，因此要避免磨削烧伤，就应尽可能减少磨削时产生的热量及尽量减少传入工件的热量。

具体可采用下列措施：
1）合理选择磨削用量不能采用太大的磨削深度，因为当磨削深度增加时，工件的塑性变形会随之增加，工件表面及里层的温度都将升高，烧伤亦会增加；工件速度增加，磨削区表面温度会增高，但由于热作用时间减少，因而可减轻烧伤。

2）工件材料工件材料对磨削区温度的影响主要取决于它的硬度、强度、韧性和热导率。

工件材料硬度、强度越高，韧性越大，磨削时耗功越多，产生的热量越多，越易产生烧伤；导热性较差的材料，在磨削时也容易出现烧伤。

3）砂轮的选择硬度太高的砂轮，钝化后的磨粒不易脱落，容易产生烧伤，因此用软砂轮较好；选用粗粒度砂轮磨削，砂轮不易被磨削堵塞，可减少烧伤；结合剂对磨削烧伤也有很大影响，树脂结合剂比陶瓷结合剂容易产生烧伤，橡胶结合剂比树脂结合剂更易产生烧伤。

4）冷却条件为降低磨削区的温度，在磨削时广泛采用切削液冷却。

为了使切削液能喷注到工件表面上，通常增加切削液的流量和压力并采用特殊喷嘴，图3-17所示为采用高压大流量切削液，并在砂轮上安装带有空气挡板的切削液喷嘴，这样既可加强冷却作用，又能减轻高速旋转砂轮表面的高压附着作用，使切削液顺利地喷注到磨削区。

此外，还可采用多孔砂轮、内冷却砂轮和浸油砂轮，图3-18所示为一内冷却砂轮结构，切削液被引入砂轮的中心腔内，由于离心力的作用，切削液再经过砂轮内部的孔隙从砂轮四周的边缘甩出，这样切削液即可直接进入磨削区，发挥有效的冷却作用。

图3-17 带有空气挡板的切削液喷嘴
图3-18 内冷却砂轮结构。